现代机械强度理论及应用学期总结报告

现代机械强度理论及应用学期总结报告现代机械强度理论及应用这门课程主要阐述了材料和零件的强度概念，强度理论、强度与寿命设计、疲劳强度与可靠性、现代强度理论应用等。现代机械强度理论及应用是以机械学和力学为基础，分析零件失效断裂问题，以现代测试手段和计算机结合处理问题。基本假设是无缺陷的连续均匀构件受静载荷作用。设计准则是最大载荷下构件危险点的工作应力σ小于构件材料所需应力。一．材料和零件的疲劳强度现代强度理论中的疲劳强度理论包括疲劳强度可靠性和疲劳寿命可靠性；强度理论的基础是弹性力学和断裂力学，与现代测试技术、计算机技术、优化技术、摩擦学等相结合。工程构建的破坏性主要有三种：磨损、腐蚀和断裂。造成断裂的原因很多，有过载、低温脆性断裂、应力腐蚀、氢脆、镉脆、疲劳等。强度的力学基础：弹性力学主要是指在允许的情况下，分析变形应变问题，分析弹性方程，物理方程、分析应力应变的关系。塑性力学时零件在整个变形中，不能完全恢复，按变形理论分析，根据屈服准侧来分析。断裂力学中则研究裂纹的发展速度。材料、零件和构件在循环加载下，它是在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。循环应力在工程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。在疲劳试验中人们常常把它们简化成等幅应力循环的波形，并用一些参数来描述。图1中σmax和σmin是循环应力的最大和最小代数值；γ＝σmin／σmax是应力比；σm＝（σmax＋σmin）／2是平均应力；σa＝（σmax－σmin）是应力幅。当σm＝0时，σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，γ＝－11，称为对称循环应力；当σmin＝0时，γ＝0称为脉动循环应力。曲线S-N曲线中的S为应力（或应变）水平，N为疲劳寿命。S-N曲线是由试验测定的，试样采用标准试样或实际零件、构件，在给定应力比γ的前提下进行，根据不同应力水平的试验结果，以最大应力σmax或应力幅σa为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标绘制S-N曲线。当循环应力中的σmax小于某一极限值时，试样可经受无限次应力循环而不产生疲劳破坏，该极限应力值就称为疲劳极限，图2中S-N曲线水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。而左边斜线段上每一点的纵坐标为某一寿命下对应的应力极限值，称为条件疲劳极限。疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3个阶段：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。疲劳寿命在循环加载下，产生疲劳破坏所需应力或应变的循环次数。对零件、构件出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命。工程裂纹指宏观可见的或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2～1.0毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命为两者之和，因工程裂纹长度远大于金属晶粒尺寸，故可将裂纹作为物体边界，并将其周围材料视作均匀连续介质，应用断裂力学方法研究裂纹扩展规律。由于S-N曲线是根据疲劳试验直到试样断裂得出的，所以对应于S-N曲线上某一应力水平的疲劳寿命N是总寿命。在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变同时存在。当循环加载的应力水平较低时，弹性应变起主导作用；当应力水平逐渐提高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变成为疲劳破坏的主导因素。为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳、弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。环境影响某些零件、构件是在高于或低于室温下工作，或在腐蚀介质中工作，或受载方式不是拉压和弯曲而是接触滚动等，这些不同的环境因素可使零件、构件产生不同的疲劳破坏。最常见的有接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。此外，还有微动磨损疲劳和声疲劳等。①接触疲劳。零件在高接触压应力反复作用下产生的疲劳。经多次应力循环后，零件的工作表面局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑。接触疲劳使零件工作时噪声增加、振幅增大、温度升高、磨损加剧，最后导致零件不能正常工作而失效。在滚动轴承、齿轮等零件中常发生这种现象。②高温疲劳。在高温环境下承受循环应力时所产生的疲劳。高温是指大于熔点1／2以上的温度，此时晶界弱化，有时晶界上产生蠕变空位，因此在考虑疲劳的同时必须考虑高温蠕变的影响。高温下金属的S-N曲线没有水平部分，一般用107～108次循环下不出现断裂的最大应力作为高温疲劳极限；载荷频率对高温疲劳极限有明显影响，当频率降低时，高温疲劳极限明显下降。③热疲劳。由温度变化引起的热应力循环作用而产生的疲劳。如涡轮机转子、热轧轧辊和热锻模等，常由于热应力的循环变化而产生热疲劳。④腐蚀疲劳。在腐蚀介质中承受循环应力时所产生的疲劳。如船用螺旋桨、涡轮机叶片、水轮机转轮等，常产生腐蚀疲劳。腐蚀介质在疲劳过程中能促进裂纹的形成和加快裂纹的扩展。其特点有：S-N曲线无水平段；加载频率对腐蚀疲劳的影响很大；金属的腐蚀疲劳强度主要是由腐蚀环境的特性而定；断口表面变色等。二、疲劳强度寿命设计各种产品的使用寿命都是有限的，在使用中会不断磨损，产生裂纹或老化等，以致发生故障。发生故障的产品有两种情形：一种是发生故障后就报废；另一种是发生故障以后还有可能修复，继续使用。前者称为不可修复产品，后者称为可修复产品。零件的疲劳寿命设计方法包括：无限寿命设计法，有限寿命设计法，局部应力应变法，损伤容限设计法。我们重点学习了无限寿命设计法，局部应力应变分析法。无限寿命分析法的出发点是零件在设计应力下能够长期安全使用。使用条件包括：（1）等幅加载时，工作应力σmaxσ-1(疲劳极限)。（2）变幅、交变应力中，如果超过疲劳极限的过载应力数值不大、作用次数又很少时，可忽略，而按作用次数较多的最大交变应力σmaxσ-1时进行设计。适用范围（1）零件在低于疲劳极限的应力下具有无限寿命，也就是说，当零件的工作应力小于疲劳极限时，零件能够长期安全使用。（2）使用范围：地面上固定不动的民用机械。对这些机械的重量常没有严格限制，往往使用无限寿命法设计。航空航天设备不用此法，但是该方法是航空航天设备所应用的有限寿命设计的基础。常常是先用静强度设计确定出零件尺寸，再用这种方法进行疲劳强度校核。常规的名义应力疲劳是以名义应力为基本设计参数进行疲劳设计。但实际上，决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变和应力。因此，20世纪60年代人们在低周疲劳计算公式的基础上，提出了一种估算疲劳寿命的新方法，即局部应力应变分析法。局部应力应变分析法德出发点有四个方面；（1）零件的疲劳破坏都要从应变集中部位的最大局部应变处首先起始。（2）在裂纹萌生以前，都要产生一定的塑性变形。（3）局部塑性变形时疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件。（4）决定零件疲劳强度和寿命的，是应变集中处的最大局部应力应变。根据局部应力应变分析法可见，只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。因而，应力集中零件的疲劳寿命，可以认为与局部应力应变值相等的光滑试样的疲劳寿命相同，可以用光滑试样的应变-寿命曲线进行分析，也可使用局部应力应变值相等的光滑试样进行疲劳试验来模拟。三．现代强度理论应用现代强度理论应用包括特殊载荷与环境下的疲劳强度、接触应力与接触强度、零部件的结构强度优化设计及微动磨损及其疲劳强度。其中特殊载荷与环境下的疲劳强度包括：复合应力疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、高低温疲劳与热疲劳、微动磨损疲劳与接触疲劳。在复合应力情况下，可以由实际的复合应力计算出一个等效应力σe，使材料或零件在等效应力σe下的疲劳强度与实际复合应力下的疲劳强度相等。因此，在计算出等效应力σe以后，只需对等效应力下的疲劳强度进行校核，即可确定出零件的疲劳强度是否合乎要求。冲击疲劳时由重复冲击载荷引起的疲劳，当零件破坏时，若受到的冲击次数少于某个数值，则零件的断裂与受到一次冲击时相同。。当冲击次数大于105次时，零件的断口具有典型的疲劳断裂特征，零件的破坏属于疲劳破坏。冲击疲劳时的S-N曲线与平稳加载下的S-N曲线形状相似。因此，也可以由S-N曲线确定出冲击疲劳极限值。腐蚀疲劳时腐蚀介质和应力共同作用，能大大降低零件的疲劳强度，是腐蚀介质与静应力共同作用产生的腐蚀破坏现象。应力腐蚀也是一种由缓慢的裂纹扩展而导致的破坏过程，它与疲劳破坏过程很相似，但这时只有静应力，而无变应力，所以又称为静疲劳。预腐蚀疲劳时腐蚀介质和变应力未同时作用，它只是两种过程的机械组合。而腐蚀疲劳则是一种腐蚀介质与变应力联合作用互相促进的破坏过程。腐蚀疲劳时，变应力增强介质的腐蚀作用，而腐蚀介质又加快了变应力下的疲劳破坏，因而两者共同作用比分别作用更加有害。微动磨损时指两块相互压紧的材料，在同时承受横向载荷的条件下，由于接触面间的微小往复相互错动而产生的疲劳失效。工作中发生微动磨损的情况有压配合、销钉连接、螺栓和压紧的钢板弹簧等。微动磨损可以大大降低高周疲劳强度，微动磨损疲劳强度可以降至材料疲劳强度的5%-10%。对低周疲劳来说，由于它以裂纹扩展寿命为主，微动磨损的影响不大。